夏玉米花期陰雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃遙感方法研究

李軍玲，郭其樂

（1.河南省氣象科學(xué)研究所，鄭州450003；2.中國(guó)氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，鄭州450003）

夏玉米花期陰雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃遙感方法研究

李軍玲1，2，郭其樂1，2

（1.河南省氣象科學(xué)研究所，鄭州450003；2.中國(guó)氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，鄭州450003）

針對(duì)傳統(tǒng)的連陰雨研究一般基于站點(diǎn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析存在局限性的問(wèn)題，該文提出了一種基于衛(wèi)星遙感和GIS的夏玉米花期陰雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃方法?；趥鹘y(tǒng)的連陰雨指標(biāo)，利用風(fēng)云三號(hào)（FY3）衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演云覆蓋率產(chǎn)品建立連陰雨遙感指數(shù)，以河南省為例，對(duì)夏玉米花期陰雨進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究，獲得河南省夏玉米花期陰雨風(fēng)險(xiǎn)分布圖。結(jié)果表明連陰雨最重的地區(qū)發(fā)生在周口、駐馬店、洛陽(yáng)、開封等部分地區(qū)，其次為平頂山、許昌、商丘等部分地區(qū)。發(fā)生連陰雨不明顯的地區(qū)主要分布在豫北和豫西北地區(qū)。該文利用遙感資料對(duì)夏玉米花期陰雨進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究是可行的，可以全面了解連陰雨發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)程度，能夠?yàn)檎疀Q策提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)利用當(dāng)年數(shù)據(jù)研究連陰雨發(fā)生程度和區(qū)域，可以為夏玉米產(chǎn)量預(yù)測(cè)提供依據(jù)，為及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)量做出貢獻(xiàn)。

夏玉米估產(chǎn)；遙感指數(shù)；花期陰雨；風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；遙感方法

1 引 言

我國(guó)是世界主要的玉米生產(chǎn)國(guó)之一，玉米播種面積和總產(chǎn)量都僅次于美國(guó)，居第二位。我國(guó)北至黑龍江的黑河，南至海南省的南端；西至新疆邊陲，東至臺(tái)灣和沿海各省，大部分地區(qū)都適于種植玉米［1］。河南省處在黃淮玉米優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)帶的中心區(qū)域，光熱資源豐富，形成了小麥、玉米一年兩熟的耕作制度。玉米是河南省的第二大作物，常年種植面積在240萬(wàn)hm2，面積和總產(chǎn)都占全國(guó)的1／10，區(qū)位優(yōu)勢(shì)十分明顯，對(duì)我國(guó)的玉米生產(chǎn)有著舉足輕重的影響［2］。玉米在花期陰雨天氣，雄穗不能正常開花，部分植株花粉膨脹破裂或粘結(jié)成團(tuán)失去活力，影響授粉受精的正常進(jìn)行，可能造成玉米不結(jié)籽粒，或形成禿頭或禿尾現(xiàn)象，甚至整個(gè)果穗只有幾粒散亂分布，嚴(yán)重的形成空穗，對(duì)玉米產(chǎn)量影響很大。因此分析研究河南省夏玉米花期陰雨發(fā)生規(guī)律，進(jìn)行夏玉米花期陰雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，能夠?yàn)楦骷?jí)政府生產(chǎn)布局和制定防災(zāi)減災(zāi)決策提供科學(xué)依據(jù)。

以往農(nóng)作物氣候區(qū)劃研究主要是利用氣候要素為區(qū)劃因子，對(duì)各種災(zāi)害采取等級(jí)劃分的方法［3－9］，比較適合氣候資源差異明顯的地區(qū)，給當(dāng)?shù)刈魑锊季痔峁┝擞杏眯畔⒑蛥⒖肌５槍?duì)夏玉米陰雨的區(qū)劃研究還不多見，陳曉藝等［10］利用安徽省75個(gè)臺(tái)站1966年～2005年9月上旬～11月中旬逐日降水、日照資料，分區(qū)域、分時(shí)段統(tǒng)計(jì)了連陰雨的特征量，分析其時(shí)空變化規(guī)律和對(duì)秋收秋種的影響。陸魁東等［11］利用湖南省97個(gè)氣象站1961年～2004年的氣溫、日照和降水等氣象資料，結(jié)合玉米的生態(tài)習(xí)性和田間試驗(yàn)分析，得出玉米吐絲－成熟期干旱、高溫?zé)岷筒シN－出苗期的連陰雨3個(gè)氣象災(zāi)害指標(biāo)對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響最大，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了春玉米種植區(qū)劃。這種基于歷史資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法雖然可行，但是由于整個(gè)區(qū)域內(nèi)的站點(diǎn)數(shù)是有限的，僅能代表站點(diǎn)的天氣情況，有其局限性。本文利用遙感資料對(duì)夏玉米花期陰雨進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究，可以全面了解連陰雨發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)程度，能夠?yàn)檎疀Q策提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)利用當(dāng)年數(shù)據(jù)研究連陰雨發(fā)生程度和區(qū)域，可以為夏玉米產(chǎn)量預(yù)測(cè)提供依據(jù)，為及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)量做出貢獻(xiàn)。

2 連陰雨指標(biāo)

連陰雨是連續(xù)3d～5d以上的陰雨天氣現(xiàn)象（中間可以有短暫的日照時(shí)間）。連陰雨天氣的日降水量可以是小雨、中雨，也可以是大雨或暴雨。不同地區(qū)對(duì)連陰雨有不同的定義，一般要求雨量達(dá)到一定值才稱為連陰雨。河南和安徽作為相鄰省份，氣候資源相似，因此本文借鑒陳曉藝［8］研究結(jié)果，并且從農(nóng)業(yè)服務(wù)角度劃分秋季連陰雨的氣候標(biāo)準(zhǔn)：①連續(xù)3d或3d以上有降水（日降水量≥0.1mm）作為一次連陰雨過(guò)程；②在＞3d的連陰雨過(guò)程中，允許1d無(wú)降水，但該日日照應(yīng)＜2h；③在連陰雨過(guò)程中，允許有微量降水，但該日日照應(yīng)＜4h。同時(shí)規(guī)定，各區(qū)域≥2／3臺(tái)站出現(xiàn)一次連陰雨過(guò)程計(jì)一個(gè)連陰雨年。同時(shí)依據(jù)連陰雨天氣持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，將其劃分為兩級(jí)：3d～6d的連陰雨過(guò)程為一次短連陰雨過(guò)程，≥7d的連陰雨過(guò)程為一次長(zhǎng)連陰雨過(guò)程。

3 連陰雨遙感指數(shù)

目前用遙感方法對(duì)連陰雨進(jìn)行的研究還不多見，本文通過(guò)遙感反演云覆蓋率資料建立連陰雨遙感指數(shù)，以河南省為例，對(duì)夏玉米花期陰雨進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究。

3.1 遙感數(shù)據(jù)來(lái)源

首先通過(guò)國(guó)家衛(wèi)星氣象中心下載風(fēng)云三號(hào)A星（FY－3A）云覆蓋率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為5km× 5km，在ArcGIS中通過(guò)重采樣獲得分辨率為1km ×1km的數(shù)據(jù)，并利用1∶25萬(wàn)的地理信息系統(tǒng)河南省邊界裁切為河南省區(qū)域云覆蓋率數(shù)據(jù)。

河南省夏玉米花期一般在7月底到8月初，一般持續(xù)10d左右。本文選取2010年～2012年7月26日到8月8日進(jìn)行研究。

3.2 連陰雨遙感指標(biāo)的確定

根據(jù)連陰雨的氣候標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)3d或3d以上有降水（日降水量≥0.1mm）作為一次連陰雨過(guò)程。本研究擬以一定的云覆蓋率代替某地區(qū)是否有降水的指標(biāo)，因此將云覆蓋率與該地區(qū)同期的降雨日數(shù)做一個(gè)統(tǒng)計(jì)分析。

利用ENVI軟件根據(jù)河南省118個(gè)臺(tái)站的經(jīng)緯度信息，將研究時(shí)段內(nèi)各臺(tái)站的云覆蓋率數(shù)據(jù)提取出來(lái)。從中刪選出云覆蓋率大于20%的臺(tái)站及對(duì)應(yīng)的日期，118個(gè)臺(tái)站云覆蓋率大于20%的統(tǒng)計(jì)總?cè)諗?shù)為N，之后根據(jù)臺(tái)站觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)在N個(gè)日數(shù)里出現(xiàn)降水的日數(shù)n，則當(dāng)云覆蓋率為20%的時(shí)候降水概率P20為n／N×100%。同理計(jì)算出當(dāng)云覆蓋率為40%、50%、60%、70%、80%和90%時(shí)的降水概率，結(jié)果如表1所示。

表1 云覆蓋率和降水概率的相關(guān)關(guān)系

表1結(jié)果顯示，云覆蓋率達(dá)到80%的地區(qū)降水概率達(dá)到72%，當(dāng)云覆蓋率為90%以上時(shí)降水概率沒有明顯提升。根據(jù)連陰雨指標(biāo)，初步認(rèn)為連續(xù)3d以上云覆蓋率達(dá)到80%以上作為一次連陰雨過(guò)程；在＞3d的連陰雨過(guò)程中，允許1d的云覆蓋率在70%～80%之間；根據(jù)連陰雨過(guò)程的長(zhǎng)短，在連陰雨指數(shù)模型中賦予不同的強(qiáng)度系數(shù)。

首先根據(jù)連陰雨過(guò)程的天數(shù)賦予一個(gè)基礎(chǔ)系數(shù)（表2），但考慮到一個(gè)7d的連陰雨過(guò)程對(duì)夏玉米生長(zhǎng)的影響肯定要大于一個(gè)3d和一個(gè)4d的連陰雨過(guò)程對(duì)作物的影響，因此對(duì)其加一個(gè)調(diào)整系數(shù)。分別將對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)系數(shù)和調(diào)整系數(shù)相乘得出一個(gè)強(qiáng)度系數(shù)。

表2 不同強(qiáng)度連陰雨過(guò)程的系數(shù)

連陰雨指數(shù)：

其中，Pid為連續(xù)i天（3到10）連陰雨過(guò)程出現(xiàn)的頻率；Aid為連續(xù)i天連陰雨過(guò)程的強(qiáng)度系數(shù)。最后對(duì)連陰雨指數(shù)進(jìn)行歸一化處理，分別得到2010年、2011年和2012年河南省夏玉米花期陰雨指數(shù)，3年平均后得到常年陰雨指數(shù)。在ArcGIS里進(jìn)行插值后得到河南省夏玉米花期陰雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃（圖1）。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立夏玉米連陰雨指數(shù)得到河南省夏玉米花期陰雨分布圖（圖1）和2011年河南省夏玉米花期陰雨分布圖（圖2）。從圖1中可以看出，連陰雨最重的地區(qū)發(fā)生在周口、駐馬店、洛陽(yáng)、開封等部分地區(qū)，其次為平頂山、許昌、商丘等部分地區(qū)。發(fā)生連陰雨不明顯的地區(qū)主要分布在豫北和豫西北地區(qū)。

本文針對(duì)連陰雨的研究提出了一種新方法，不僅使FY3數(shù)據(jù)和遙感方法的應(yīng)用得到進(jìn)一步拓展，而且使連陰雨的研究不再局限于地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)連陰雨這個(gè)災(zāi)種的研究提供了一種新的研究思路。但是FY－3A衛(wèi)星2008年才發(fā)射成功，歷史數(shù)據(jù)有限，利用3年的資料研究風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃可能代表性不足，但本文做為一種方法上的探討有一定的科學(xué)價(jià)值。同時(shí)也可以利用當(dāng)年數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)年的產(chǎn)量進(jìn)行影響評(píng)估，對(duì)產(chǎn)量預(yù)測(cè)提供科學(xué)參考。

圖1 河南省夏玉米花期陰雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

圖2 河南省2011年夏玉米花期陰雨分布圖

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Risk Zoning Method of Flowering Phase Continuous Rain of Summer Maize Based on Remote Sensing and GIS

LI Jun－ling1，2，GUO Qi－le1，2
（1.Henan Institute of Meteorological Sciences，Zhengzhou450003；2.Henan Key Laboratory of Agrometeorological Service and Applied Technique，CMA，Zhengzhou450003）

The traditional study of continuous rain generally uses station data for statistical analysis.Because each station only represents the weather itself，the limitation is obvious and risk zoning method of summer maize flowering phase continuous rain was established based on remote sensing and GIS in this paper.Based on traditional continuous rain index，continuous rain remote sensing index was built by using FY－3satellite cloud coverage data.We had a research on risk zoning of summer maize flowering phase continuous rain taking Henan province as an example.Summer maize risk distribution map was obtained.The results showed that most of continuous rains appeared in Zhoukou，Zhumadian，Luoyang，Kaifeng，followed by parts of Pingdingshan，Xuchang，Shangqiu，etc.Occurrence of continuous rain was not obvious in the north and northwest of Henan province.The risk zoning method based on remote sensing can fully reflect the continuous rain risk degree，and provide scientific basis for government decision－making.At the same time，the year study of continuous rain occurrence degree and area can provide a basis for the summer maize yield prediction.

summer maize yield estimation；remote sensing index；flowering phase continuous rain；risk zoning；remote sensing method

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.02.013

P429

A

1000－3177（2015）138－0077－03

2013－08－23

2014－05－05

公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)項(xiàng)目（GYHY201006041）；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究項(xiàng)目（112300413217）。

李軍玲（1979～），女，博士，高級(jí)工程師，主要從事遙感應(yīng)用與農(nóng)業(yè)氣象研究。

E－mail：ljl8843＠126.com